Tecnologías de soporte: IEEE 802.11

Transcripción

Tecnologías de soporte: IEEE 802.11
SIMULACIÓN DE PROTOCOLOS DE ENRUTAMIENTO
PARA REDES MÓVILES AD-HOC MEDIANTE
HERRRAMIENTA DE SIMULACIÓN NS-3
Tecnologías de soporte: IEEE 802.11
Outline
1. Características del IEEE802.11
2. Capa física
3. Capa de Acceso al Medio (MAC)
4. Capa de gestión MAC
5. Movilidad
6. Seguridad
7. QoS
8. Ejemplos de dispositivos reales
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2
Introducción: la ubicuidad de WLAN
Corporate WLAN
Semi--public WLAN
Semi
Home WLAN
Public WLAN
El usuario requiere acceso a Internet desde cualquier lugar.
WLAN provee de un acceso de banda ancha a Internet desde
cualquier sitio.
Acceso público a través de Hot-spots.
IEEE802.11b (WiFi): sencillo, barato y rápido.
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3
Arquitectura básica de red Internet con acceso inalámbrico
Local Distribution Network
Internet
WLAN Acces
Netscape
Apache
http
http
tcp
tcp
ip
ip
802.2
802.2
802.11
802.11
802.3
ip
802.2
802.2
802.2
802.3
802.3
802.3
IEEE 802.11
Client
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Access Point
Access Router
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Server
4
Características de una arquitectura inalámbrica
El medio de transmisión: canal radio
•
•
•
•
Interferencias y ruido.
Las características del medio varían sobre el espacio y tiempo.
Medio compartido con dispositivos 802.11 no deseados.
Medio compartido con dispositivos no 802.11 (hornos
microondas,..)
Movilidad
• Variación de la fiabilidad del enlace.
• Uso de las baterias, requiere gestión del consumo.
• El usuario requiere de continuidad en la conexión.
Puede no existir conectividad total (estación oculta).
Seguridad
• No existen fronteras físicas.
• Solapamientos de LANs.
Internacionalmente existen distintas regulaciones.
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Asignación del espectro
Bandas de Industria, Ciencia y Medicina, ISM
(Industrial, Scientific and Medical).
• Espectro sin licencia.
• Bajo ancho de banda • Interferencia de hornos microondas
• IEEE 802.11b, IEEE 802.11g
• Com. celulares
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• HIPERLAN
• IEEE 802.11ª
6
IEEE802.11: configuración ad hoc
Independiente
•
•
•
•
Una BSS (Basic Service Set)
Red “Ad hoc”.
Comunicación directa.
Area de cobertura limitada.
Peer to Peer Network
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IEEE802.11: configuración infraestructura
Infraestructura
• Puntos de acceso (AP) y estaciones.
• El sistema de distribución interconecta multiples BSS para
formar una única red.
o Extiende el área de cobertura ESS (Extended Service Set)
o Permite roaming.
• El sistema de distribución no está estandarizado, pero si los
servicios que proporciona.
SERVER
DISTRIBUTION SYSTEM
AP-A
BSS-A
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AP-B
BSS-B
8
Estandarización de WLAN
IEEE
ETSI
IEEE 802.11
HiperLAN2
802.11e: QoS Enhacenments
802.11i: Security Enhancenments
802.11 a
5 GHz
54Mbit/s
802.11 g
2.4 GHz
54Mbit/s
802.11 b
2.4 GHz
11Mbit/s
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2.4 GHz
2 Mbit/s
5 GHz
54Mbit/s
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8
Arquitectura del protocolo 802.11
Station Management
• Interactúa con las capas de gestión de MAC y PHY.
MAC Layer Management
• Gestión de consumo
• Traspaso
• MAC MIB
MAC
• Acceso al medio
• Fragmentación
• Encriptación
PHY Layer Management
LLC =802.2
MAC
MAC
Sublayer
MAC Layer
Management
PLCP
PHY Layer
Management
PHY Sublayer
PMD
Sublayer
Station
Management
• Sintonizar el canal
• PHY MIB
PLCP (Physical Layer Convergence Protocol)
• Detección de portadora Clear Channel Assessment (CCA)
• Generar la trama PLCP
PMD
• Modulación y codificación.
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Capa física IEEE 802.11
Capa física (PMD): tipos I
Banda base Infrarrojos (IR).
• 1 y 2 Mbps, 16-PPM y 4-PPM (Pulse Position Modulation).
Frequency Hopping Spread Spectrum
• Utiliza una de las 75 frecuencias. Cada 400ms salta a un
nuevo canal.
• 2,4GHz, 1 y 2 Mbps.
o
o
2/4 FSK con 1/2Mbps.
2,5 hops/s sobre 79 canales. (USA)
Direct Sequence Spread Spectrum
• Utiliza 1 de los 11 canales solapados
• 2,4GHz, 1 y 2 Mbps.
o
o
DBPSK, DQPSK.
Ensanchamiento con 11 Bit Barker Code.
• 2,4GHz, 5,5 y 11Mbps. (802.11b)
o
CCK(Complementary Code Keying)/DQPSK
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12
Capa física (PMD): tipos II
5 GHz OFDM (802.11a)
•
•
•
•
Puede soportar velocidades: 54, 48, 36, 24, 12 y 6 Mbps
Puede reducir la velocidad para alcanzar mayor cobertura.
Parámetros idénticos a HiperLAN2 PHY
La banda de 5GHz tiene más canales y menos interferencias
2,4 GHz OFDM (802.11g)
•
•
•
•
Ratificado en junio 2003.
Modulación OFDM y codificación PBCC.
Compatible con 802.11b
Nuevas velocidades soportadas: 6,9,12,18,24,36,48 y 54.
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Frequency Hopping Spread Spectrum
Amplitude
1
2
3
4
5
Time
6
7
8
Frequency
9
10
11
12
Banda 2,4GHz con un ancho de banda de 83,5MHz.
Banda dividida en al menos 75 canales.
Cada canal tiene un ancho de banda aproximadamente 1MHz.
El transmisor y receptor saltan al unísono entre los canales de
una forma pseudo aleatoria.
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Direct Sequence Spread Spectrum
WLAN-IEEE802.11 tutorial (Maximilian Riegel)
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Canales del 802.11
http://en.wikipedia.org/wiki/IEEE_802.11
El estándar define 14 canales.
• Para evitar interferencias se recomienda el uso de los
canales 1, 6 y 11.
• En España, se utilizaba solamente 10 y 11
• En USA, se utiliza los 11 primeros.
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OFDM
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Capa física (PLCP): Physical Layer Convergence Protocol Trama
Scrambled Ones
128
SYN
16
SFD
PLCP Preamble
8
SIGNAL
8
16
SERVICE LENGTH
PLCP Header
16
CRC
PSDU
192 µs
1 DBPSK
2 DQPSK
5.5 OR 11Mbps
PPDU
SYNC (ajuste de ganancia, detección de energia, selección de
antena, compensación del offset de frecuencia)
SFD (Start Frame Delimiter, sincronización de bit)
SIGNAL (velocidad: 1, 2, 5.5,11 Mbps)
SERVICE (reservados)
LENGTH (número de octetos de PSDU)
CRC (CCITT CRC-16, proteje SIGNAL, SERVICE y LENGTH)
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Capa MAC IEEE 802.11
Capa de Acceso al Medio: funcionalidades
Procedimientos de acceso al canal.
Direccionamiento de las PDUs.
Formato de trama.
Control de errores, fragmentación y ensamblado de la MAC
MSU (MSDU).
• Fragmentación dependiento de los diferentes PHY.
Servicios de asociación a un AP y de traspaso.
Funciones para la gestión de consumo de energía de las
estaciones.
Servicios de autentificación y privacidad.
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Procedimientos de acceso al canal
Las funciones de coordinación determinan cuando una
estación puede transmitir y recibir.
Uso de la Función de Coordinación Distribuida (DCF) para
compartir el medio de modo “best effort”.
• CSMA/CA
• El PHY se encarga de la detección del medio libre.
Uso de la Función de Coordinación Puntual (PCF) para
transmisión síncrona.
• Sondeo
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CSMA/CA
DIFS
PIFS
SIFS
Busy Medium
Contention Window
Backoff-Window
Next Frame
DIFS: Distribuited Interframe Space
PIFS: PCF Interframe Space
SIFS: Short Interframe Space
Las estaciones esperan a que el medio este libre.
Si esta ocupado, seleccionan un tiempo aleatorio antes de
transmitir para evitar colisiones.
Se utiliza un algoritmo de backoff exponencial (se incrementa si
hay retransmisiones)
• CWnew =min(CWmax,,CW*2); CWnew =CWmin
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CSMA/CA + ACK protocol
DIFS
Contention Window
Busy Medium
Source
Backoff-Window
Data
SIFS ACK DIFS
DIFS
Destination
Backoff
Window Data
Next Frame
Busy Medium
Other
Defer Access
Si el medio está libre durante DIFS, entonces transmisión, si no
se pospone y se inicia el proceso de backoff.
El receptor envia el ACK si la trama es correcta.
Si no se recibe el ACK, se retransmite la trama después de un
tiempo aleatorio.
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Ejemplo de Función de Coordinación Distribuida (DCF)
Data
Source
SIFS ACK
Destination
DIFS
Busy Medium
Station 1
Busy Medium
DIFS
Busy
DIFS
Busy
Contention Window
Backoff-Window
Busy Medium
DIFS
Backoff
Window
Data
Station 2
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Problema de la Estación Oculta
Problema de la estación oculta: las estaciones dentro de una
misma WLAN no se “escuchan” entre si.
Uso de tramas de control RTS/CTS con un campo de duración.
(opcional)
CTS Range
RTS Range
Station B
RTS
Station A
Data
Station A
ACK
CTS
AP
Busy Medium based on CTS
Backoff-Window
Data
Station B
B cannot detect carrier from A
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Función de Coordinación Puntual (PCF)
CFP repetition interval
Contention free period
Beacon
D1 + Poll
Contention
period
D2 + Poll
CF END
AP
U1 + ACK
U2 + ACK
Stations
Se define una estructura supertrama donde se alternan periodos PCF
(sin contención) con DCF (con contención) que controla el AP.
Durante el PCF, el AP escruta a las estaciones.
Network Allocation Vector (NAV) indica la duración del periodo de PCF.
PCF permite tráfico con requerimientos de calidad de servicio.
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Formato de Trama
Bytes: 2
Frame
Control
2
802.11 MAC Header
6
6
6
Duration Addr 1
ID
Bits: 2
2
4
Protocol
Version
Type
Sub
Type
Addr 2
Addr 3
1
To DS
2
6
Seq.
Control
Addr 4
0-2312
4
Frame Body
1
1
1
1
From
DS
More
Frag
Pwr
Mgt
More
Data
CRC
1
1
WEP
Rsvd
Campo de control 16 bits:
Versión del protocolo 802.11
Tipo de trama: gestión, control o datos.
Subtipo dentro del tipo de trama: ACK (control), Solicitud de asociación
(gestión).
Hacia DS (1 si la trama va hacia el sistema de distribución).
De DS (1 si las tramas salen del sistema de distribución).
Más fragmentos, 1 en aquellas tramas a las que siguen más fragmentos de la
MSDU actual.
Reintentar, retransmisiones de una previa.
Control de potencia, indica el modo de potencia de una estación.
Más datos se pone a 1 para indicar a una estación en modo bajo consumo que
se encuentran almacenados en el AP más MSDU para ella.
WEP (Wired Equivalent Privacy) es 1 si el cuerpo de trama contiene información
que ha sido procesada por el algoritmo criptográfico.
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Campo de direcciones
Hacia DS Desde Direcció 1
DS
Dirección2
Dirección3
Dirección4 Significado
0
0
Dirección
Destino
Dirección
Origen
ID BSS
N/A
Trama de
datos entre
estaciones del
mismo BSS
0
1
Dirección
Destino
ID BSS
Dirección
Origen
N/A
Trama de
datos de
salida del DS
1
0
ID BSS
Dirección
Origen
Dirección
Destino
N/A
Trama de
datos de
dirigida al DS
1
1
Dirección
del
receptor
Dirección
del emisor
Dirección
Destino
Dirección
Origen
Trama WDS
distribuida de
AP a AP
WDS (Wireless Distribution System)
BBS (Basic Service Set)
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28
Gestión de la Capa MAC IEEE 802.11
Capa de Gestión MAC
La capa de gestión MAC es responsable:
•
•
•
•
Generación de Beacon
Función de sincronización
Función de búsqueda (scanning)
Gestión del consumo de potencia
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30
Generación del Beacon
Beacon Interval
Beacon
Se utilizan para mantener el sincronismo de la red, para la
gestión del consumo y el traspaso.
El AP es el encargado de generar y enviar los beacons de forma
periódica.
Se puede postponer el envío de un beacon si el medio está
ocupado (CSMA).
El beacon contiene el instante en que fue enviado.
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31
Timing Synchronization Function (TSF)
Las estaciones mantiene un reloj local.
• Utilizado para la gestión del consumo.
• Utilizado para determinar cuando comienza el periodo DCF.
El AP controla la sincronización en las redes de
infraestructura.
Los relojes de todas las estaciones están sincronizados.
Los beacon se utilizan para calibrar los relojes locales de las
estaciones.
No es necesario “escuchar” todos los beacon para
permanecer sincronizado.
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32
Consideraciones para la gestión de consumo de potencia
Los dispositivos móviles tienen baterias. Por lo tanto un uso
eficiente es importante para la movilidad.
Los protocolos LAN cableadas suponen que las estaciones
siempre están listas para recibir.
Protocolo de gestión de consumo del 802.11:
• Permite que el transceptor este en estado de ahorro de
energia (modo sleep) todo el tiempo posible.
• Transparente a los protocolos existentes.
• Flexible para soportar diferentes aplicaciones. (Es capaz de
compensar caudal por consumo).
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Protocolo de Gestión de Consumo
Las estaciones inactivas (idle) ivernan.
• El AP conoce que estaciones están en este estado.
El AP almacena las tramas de las estaciones que ivernan.
• AP anuncia que estaciones tienen tramas almacenadas.
• Traffic Indication Map (TIM) se envía con cada beacon.
Las estaciones que ivernan se despiertan periodicamente y
escuchan los beacons.
TSF asegura que el AP y las estaciones en estado de ahorro
de energia están sincronizadas.
• Las estaciones se despiertan a escuchar el beacon.
• El reloj local no se para.
BSS Independiente también tiene un procedimiento para la
gestión del consumo de energia. (Distribuido)
Simulación de Protocolos de
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34
Procedimiento para la gestión de consumo de potencia
TIM Interval
DTIM Interval
Broadcast
Broadcast
AP
Station
Weak up period
Weak up period
Poll and Tx Operation
Las estaciones se deben despertar antes de un DTIM (Delivery
Traffic Indication Message).
Si TIM indica que hay tramas almacenadas: la estación envia
PS-Poll y permanece activa para recibir los datos.
Si no hay tramas almacenadas, la estación vuelve a ivernación.
Las tramas broadcast también se almacenan en el AP.
Simulación de Protocolos de
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Scanning (proceso de búsqueda)
El proceso de búsqueda (scanning) es un procedimiento
que se requiere para:
• Encontrar y unirse a una red.
• En el proceso de traspaso, para encontrar a un nuevo AP.
• Inicializar un BSS independiente (red ad hoc).
Scanning Pasivo
• La estación descubre nuevas redes escuchando beacons.
Scanning Activo
• Para cada canal, la estación envía una trama de control Probe
y espera por un Probe Response.
Tanto los beacon como los Probe Response contienen la
información necesaria para unirse a la red.
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Ejemplo de Scanning Activo
La conexión inicial a un AP o la reassociación siguen el mismo
proceso.
Pasos a seguir en la asociación:
•
•
•
•
•
La estación envia Probe.
APs envía Probe Response.
La estación selecciona el mejor AP.
La estación envía Association Request al AP seleccionado.
AP envía Association Response.
Simulación de Protocolos de
Enrutamiento para MANET con
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Movilidad
La estación decide que el enlace hacia su AP es de baja
calidad y utilizará la función de scanning para encontrar
otro AP.
station 3
station 5
station 6
station 7
station 4
station 2
Simulación de Protocolos de
Enrutamiento para MANET con
ns-3
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station 1
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Procedimiento de traspaso
La estación enviará una trama de Request Reassociation al
nuevo AP.
Si el nuevo AP acepta:
• Envía una Reassociation Response.
• La estación se enlazará al nuevo AP.
Puede comenzar el scan para otro nuevo AP.
• AP indica Reassociation al sistema de distribución.
• Al viejo AP se le notifica por medio del sistema de distribución.
o
station 3
station 5 station 6
station 7
station 2
Simulación de Protocolos de
Enrutamiento para MANET con
ns-3
station 4
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Seguridad IEEE 802.11
station 1
39
Seguridad
Se puede “pinchar” y ver todos los paquetes de la WLAN.
• Información valiosa: números de tarjetas de crédito para
verficación.
Cualquiera en el área de cobertura del AP puede acceder a
la red.
WEP (Wired Equivalent Privacy) 1997.
•
•
•
•
802.11
Opcional
Mecanismo de encriptación entre el cliente y el AP.
Sin la clave de encriptación, el usuario no puede tx ni rx.
WEP
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41
Seguridad: WEP
Provee un mecanismo de autenticación:
• Para el control del acceso.
• Puede utilizar el sistema Abierto o mediante clave compartida.
WEP:
• Cifrado de la información.
• Usa el algoritmo RC4 basado en una clave de 64 bits (40 de
clave secreta, 24 del vector de iniciación IV).
• Solamente el campo de datos es encriptado.
WEP es un protocolo muy vulnerable:
• Cortos IV y claves WEP estáticas.
o
o
En redes con mucho tráfico, la reutilización puede ocurrir
cada hora y se pueden extraer esos IV.
Las claves WEP son estáticas, por lo que administradores
de las WLAN utilizan la misma clave durante mucho
tiempo.
Simulación de Protocolos de
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42
WPA (WiFi Protected Access)
WPA adopta la autenticación de usuarios mediante el uso
de un servidor, donde se almacenan credenciales y
contraseñas.
WPA permite la autenticación mediante clave compartida.
• PSK (Pre-Shared Key) similar al WEP.
Cifrado RC4.
• Clave de 128 bits y IV (vector de inicialización) de 48 bits.
TKIP (Protocolo de Integridad de Clave temporal)
• Cambia claves dinámicamente a medida que el sistema es
utilizado.
MIC (Integridad del mensaje)
• La comprobación de redundancia cíclica utilizado en WEP es
inseguro, ya que es posible alterar la información y actualizar
el CRC sin conocer la clave WEP.
Compatible con las tarjetas de red inalámbricas.
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43
802.11i
2004
Mejora del proceso de autenticación
Message Integrity Check (MIC)
Nuevas claves de encriptación (TKIP)
Nuevo algoritmo de encriptación AES
• Necesidad de hardware dedicado para la
encriptación/desencriptación.
o Actualización de equipos WLAN.
WPA2
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44
QoS
IEEE 802.11e
Limitaciones en QoS IEEE 802.11
IEEE 802.11 diseñado con dos modos de operación DCF y
PCF.
DCF (Distributed Coordination Funtion)
• Solo soporta servicios best-effort.
• No soporta ningún tipo de prioridad para el acceso al medio.
• No hay garantía de ancho de banda, retardo o variación del
retardo.
• Degradación del caudal en condiciones de alta carga.
PCF (Point Coordination Function).
• Soporta tráficos de tiempo real.
• El tiempo de transmisión de las estaciones escrutadas es
impredecible.
• Tiempo de transmisión del beacon también es impredecible.
DCF y PCF no diferencian entre tipos de tráfico o de
fuentes.
Simulación de Protocolos de
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46
El estándar IEEE 802.11e
El grupo de trabajo Task Group E se forma en 2001. En
Julio de 2005 se aprueba IEEE 802.11e.
IEEE 802.11e extiende el dominio de aplicación del 802.11
permitiendo servicios con requerimientos de QoS.
Compatible con 802.11.
Terminología IEEE 802.11e:
• AP con soporte QoS -> QAP (Quality AP)
• Point Coordinator -> HC (Hybrid Coordinator)
• BSS con QoS -> QBSS
Simulación de Protocolos de
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47
El estándar IEEE 802.11e
Nuevo mecanismo QoS: HCF (Hybrid Coordination Function)
• EDCA (Enhanced Distributed Channel Access)
• HCCA (Hybrid Coordination Function Controlled Channel Access)
• EDCA y HCCA definen categorías de tráfico.
o
o
Tráfico de baja prioridad: correo electrónico.
Tráfico de alta prioridad: Voice over Wireless LAN (VoWLAN)
Simulación de Protocolos de
Enrutamiento para MANET con
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48
EDCA (Enhanced Distributed Channel Access) I
Revisión de DCF (IEEE802.11):
• CSMA/CA
• Transmite la trama directamente si el medio está libre durante
DIFS (DCF InterFrame Space)
• Backoff time=rand[0,CW]; CWmin<CW<CWmax
• Transmisión de la trama cuando expira el backoff.
¿Cómo proveer prioridades?
• Se definen cuatro categorías de acceso (AC) que gestionan
cuatro colas con diferentes prioridades.
• Se reemplaza DIFS con AIFS (Arbitration InterFrame Space).
• Cada AC define sus propios valores de AIFS, Cwmin y Cwmax
• Se define Transmission Opportunity (TXOP) como el tiempo
máximo que una estación puede transmitir desde que obtiene
el derecho a transmitir.
o
Se define mediante el tiempo de inicio y duración.
Simulación de Protocolos de
Enrutamiento para MANET con
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Loja - 2014
49
EDCA (Enhanced Distributed Channel Access) II
Timing with 802.11a
aSlotTime: 9µs
SIFS: 16 µs
DIFS: 34 µs
Simulación de Protocolos de
Enrutamiento para MANET con
ns-3
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50
EDCA (Enhanced Distributed Channel Access) III
Mapeo a una AC
AIFS[0]
CWmin[0]
CWmax[0]
AIFS[1]
CWmin[1]
CWmax[1]
AIFS[2]
CWmin[2]
CWmax[2]
AIFS[3]
CWmin[3]
CWmax[3]
Acceso paralelo al mismo intervalo, la AC con mayor prioridad transmite;
las otras actúan como si una colisión hubiese ocurrido.
TX
Simulación de Protocolos de
Enrutamiento para MANET con
ns-3
51
Loja - 2014
EDCA (Enhanced Distributed Channel Access) IV
http://www.networkworld.com/news/tech/2003/0623techupdate.html
Simulación de Protocolos de
Enrutamiento para MANET con
ns-3
Loja - 2014
52
Mapeo de la prioridades de usuario a los AC
Priority 801.D UP
801.D desig.
AC
Designation
Lowest
0
BE (Best Effort)
AC_BE
Best effort
1
BK (Background) AC_BK
Background
2
Spare
AC_BK
Background
3
EE (Excelent
Effort)
AC_BE
Best effort
4
CL (Ctrl. Load)
AC_VI
Video
5
VI (Video)
AC_VI
Video
6
VO (Video)
AC_VO
Voice
NC (Netw. Ctrl)
AC_NC
Voice
Highest 7
Simulación de Protocolos de
Enrutamiento para MANET con
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Características de las categorías de acceso
Access
Category
CWmin Cwmax
AIFSN
TXOPlimit
AC_BK=AC3
15
1023
7
0
AC_BE=AC2
15
1023
3
0
AC_VI=AC1
7
15
2
3.008
AC_VO=AC0
3
7
2
1.504
• AIFS[AC]=SIFS+AIFSN[AC]*aSlotTime
• Menores valores de AIFS, Cwmin y Cwmax , menor es el
retardo para acceder al medio.
• TXOP se utiliza para diferenciar diferentes prioridades en una
misma AC.
o
TXOP=0 una sola MSDU
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HCCA (Hybrid Coordination Function Controlled
Channel Access)
Extiende el funcionamiento de PCF.
Durante el CFP, Controlled Access Phase (CAP):
• HC escruta a las estaciones y da permiso para acceder al
canal.
• HC especifica el tiempo de inicio y la duración máxima para
cada transmisión (TXOP).
• Se diferencias distintos tipos de flujo.
Durante el Contention Period,
• Se utilizan las reglas EDCA.
• HC puede escrutar a una estación durante el CP ganando el
acceso al medio de transmisión después de un intervalo PIFS .
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HCF Superframe
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Ejemplos de dispositivos reales
Ejemplo de parametros fisicos en un dispositivo real
Cisco Aironet 802.11a/b/g Wireless CardBus Adapter
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Ejemplo de en un dispositivo real
Configuración AP
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